关于多波束测深技术在海洋测绘中新趋势的思考之物理论文

　　摘要：近年来，随着社会经济发展对水下地形测量要求的提高，传统单波测深仪已经无法满足日益增长的新需求，多波束水深测量技术的出现带来了海洋测量技术的一次重大变革。在新形势下，必须对多波束测量技术与海洋测绘工序做出进一步的调整。本文物理论文综合影响多波束测量的因素，主要论述了多波束测量技术与海洋测绘工序的调整策略。
　　关键词：多波束测量，海洋测绘，调整策略
　　1.多波束测深系统
　　1.1多波束测深系统是利用多波束原理进行海底测图和测量海底地貌的宽条带回声测深系统，是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。其工作原理是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，通过各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置归算，从而获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据。
　　1.2测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的几十个水深值。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、数字磁带机、数字打印机、横向深度剖面显示器、实时等深线数字绘图仪、系统控制键盘等）两大部分组成。
　　1.3测深系统的回声处理设备较多。计算机可按预先给定的程序对各种数据和参数在船上实时处理；数字磁带机按规定的格式记录时间、导航数据、罗经航向、纵横摇摆以及各波束测得的水深和相对于船的横向距离等有关数据，以便后期处理；数字打印机可根据需要对所有记录数据进行监控；显示器对系统的模拟输出进行监视，直观显示横向深度剖面（海底轮廓线图）；数字绘图机沿校正过的航迹标绘出等深线图，实时判读海底地貌的轮廓。
　　1.4多波束测深系统同单个宽波束的回声测深仪相比，具有横向覆盖范围大（为深度的几倍），波束窄（约为3°～5°），效率高等优点。适用于海上工程施工区和重要航道的较大面积的精确测量，也可以用于精确测定航行障碍物的位置、深度。它能绘出海底三维图形，消除了使用侧扫声呐时判读的困难。有的系统还可在冰覆盖区使用。
　　2.目前的多波测量技术与海洋测绘工序技术体系
　　目前海洋测绘体系已完成了数字化技术改造，目前由控制、水深、地形等的测量到海图的编辑、加工和出版，全部实现了数字化。可是与纸质海图的工序相比，目前的海洋测绘的供需变化却不大，根本原因是由于整个技术的改造是参照纸质海图的工序实施的。
　　水深测量是海洋测绘的核心技术，目前由于单波束到多波束测量方式的改变，水深测量技术发生了重大的变革，实现了垒覆盖的海底地形测量。可是，如果不考虑改变目前的测量工序和要求，不仅不会减少海图产品化的时间和扩大海洋测绘产品的多样性。相反，由于数据量太大，却会增加海图出版机构的负担。
　　3.多波柬测量技术与海洋测绘工序的技术调整
　　多波束测量系统是计算机、导航定位与数字化传感器技术等多种技术的高度集成。通过安装在测船底部的探头发射和接收声波信号，由声波在水体中的传播时间与声速乘积即可计算出水深。探头由发射探头和接收换能器组成，有多达126个相互独立的接收换能器(定向旋转发射126个波束)；接收信号通过声纳处理器再传到计算机。
　　多波束系统彻底改变了传统测深方法，在波束形成理论、勘测技术、校正与处理方法上形成了自身复杂的特点，在测量中需要加以注意，否则将严重影响勘测精度。
　　3.1多波束测量技术的影响因素
　　多波束测深系统采取多组阵和广角度发射与接收，形成条幅式高密度水深数据，是计算机、导航定位与数字化传感器技术等多种技术的高度集成。由于多波束系统横向、纵向测点都十分密集，这就需要由高精度GPS定位系统与之相配套。否则将造成测点位置错位，失去多波束系统勘测的意义，井使海底地形失真或畸变。因此，必须严格测量各个坐标定位数据，保证测量精度，以实现最佳的测量结果。
　　对多波束精度的影响因素主要包括：不同水域环境的音速对波束传播的影响、GPS定位对--坐标精度的影响、测船中换能器的相对位置，以及潮位改变对水深的影响等等。以坐标系的影响为例，由于多波束测深采用广角度定向发射、多阵列信号接收和多个波束的形成及处理等技术，为了更好的说明波束的空间关系和波束海底投影点的空间位置，首先必须定义好多波束测船参考坐标系。多波束系统的换能器不论是固定还是便携式安装，其相对测量船的位置总是不变的，因此测量船是多波束勘测最现实的参考工作平台。考虑到波束空间角度表达的便利，一般测量船参考坐标系原点选择在换能器对称中心，船只横向左舷方向为x轴，船只纵向船头方向为Y轴，船只铅垂向下为z轴。另外，运动传感器要严格安装在与船中轴平行的地方。多波束船参考坐标系是一种三坐标轴与船固定并随着船只运动而运动的坐标系，它使得多波束各测深点的相对位置与测量船只定位系统的大地空间位置建立了联系，同时也为进行传只补偿提供了空间关系和基本方法。因此，以上的坐标定位数据必须严格准确的测量。
　　通过实践试验可知，利用多波束测深系统，对声速、导航系统的定位、参考坐标系及潮位等影响因子加以注意，采用合理的测量方法以及对数据进行精细处理，完全能够测得准确可靠的水下地形图，发现水下地形的细微变化。
　　3.2海洋测绘工序的技术调整
　　由于技术工序的调整和测量重点的改变，必然导致海洋测绘方法和技术的变革，大量的成熟技术需要攻克，部分理论和方法需要修正。
　　多波束测量具有全覆盖、数据量大的特点，不改变目前的水深测量工序，要由多波束测量的源数据形成一个符合海图要求的水深数据是特别困难的，会极大地增加由水深测量到海图产品的时间差。结合Ns(航海表面)和H-Cell(按海图综合的方法由NS抽取的水澡点和等深线，同时叠加障碍物等要素组成的海图出版中的重要工序)的概念，同时参考NOAA(美国国家海洋大气管理局)的方式，调整了目前的水深测量工序。具体修测体系：
　　(1)水深测量数据改正和计算误差，形成网格化的NS。
　　(2)按照自动综合方法，由NS形成水深点和等深线H-Cel；
　　(3)障碍物探测数据改正，形成一个障碍物H-Cdll；
　　(4)不同的H-Cell叠加，嵌入海图的数据库，完成海图数据的修铡。
　　由此可见，由测量数据到网格化的NS，再由NS到H-Cell，不仅改变了水深测量成果的表现形式，形成了一个服务于数据库修测或更新的水深测量工序，同时，又可以实现海底DTM等产品的出版，提高了海洋测绘产品的多样性和丰富性。
　　4.论文结语
　　海洋测量、数据库和产品化是海洋测绘体系的三个核心环节，它们相互依存，相互影响，共同发展。多波束测量技术的发展和海图数据库的建立，将会对数据库产品化产生重大影响，使得海洋测绘产品化的时间得以有效缩短，并能提高海洋测绘产品的多样性。
　　参考文献：
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　　[10]翟国君黄谟涛我国海洋测绘发展历程[J].海洋测绘2009。(04)